Prejšnji mesec sta se zgodila dva zanimiva dogajanja na področju kvantne tehnologije: kitajski znanstveniki so teleportirali fotone svetlobe s kopenske postaje na vesoljski satelit in v Moskvi je potekala letna konferenca vodilnih strokovnjakov za kvantno fiziko. Business Insider je uspel ujeti dr. Eugena Polzika z inštituta Niels Bohr, enega vodilnih strokovnjakov za kvantno teleportacijo, in ga zasliševal na številna vprašanja, vključno z izjemnim uspehom kitajskih kolegov.
"Tovrstne teleportacije se izvajajo v laboratorijskih razmerah od leta 1997, toda kitajskim znanstvenikom je uspelo doseči ta neverjeten tehnološki učinek na veliki razdalji," je dejal Polzik.
Leta 2012 je skupina evropskih znanstvenikov uspešno teleportirala fotone med obema Kanarskima otokoma. Razdalja med oddajnimi in sprejemnimi napravami je bila 141 kilometrov. Kitajski raziskovalci so ta rekord uspeli podreti julija, ko so fotone uspešno teleportirali na razdalji 500 kilometrov.
Že dolgo sanjamo o takšni tehnologiji iz Zvezdnih stez, čeprav je naša intuicija že od nekdaj govorila, da je teleportacija v bistvu nemogoča. Vendar fizika našega resničnega sveta, v katerem živimo vsak dan, malo spominja na fiziko kvantnega sveta. Tu se zakoni padajočega kamna s pečine in uravnavanje elektronov ter posameznih fotonov svetlobe popolnoma razlikujejo od tistih, ki smo jih vajeni videti. Zato je v tako bizarnem svetu mogoče skoraj vse, tudi teleportacija. Kako vse to razumeti? Kraj za začetek je kvantno zapletanje.
Kaj je kvantno zapletanje?
Včasih sta dva kvantna delca zrcalno povezana. Karkoli se bo zgodilo z enim od teh delcev, se bo zgodilo tudi z drugim. Tudi če jih ločujejo velike razdalje. Še vedno sta ločena predmeta, vendar sta si v vsem enaka. Ko si dva delca medsebojno delita svoja stanja, se taki delci imenujejo zapleteni.
"Recimo, da sem ustvaril par zapletenih fotonov," pojasnjuje Polzik.
Promocijski video:
»Enega obdržim, drugega pa z laserjem pošljem na vesoljski vesoljski satelit v upanju, da bo foton prišel do cilja. Teleportacija se lahko šteje za uspešno le, če je stanje prepletenosti z dvema fotonoma ločeno med oddajno in sprejemno postajo."
Glavna tehnična težava postopka teleportacije je v prenosu fotona na določeno razdaljo od zapletenega partnerskega delca. V primeru kitajskega eksperimenta je bil en foton v laboratoriju na Zemlji, drugi pa je bil uspešno poslan na satelit v orbiti. Spremembe, ki so se zgodile s fotonom na Zemlji v okviru manipulacij znanstvenikov, so vplivale tudi na foton v vesolju - gre za kvantno teleportacijo v najčistejši obliki.
Kako razumeti, ali je satelit prejel želeni foton in ne nekega naključnega delca svetlobe?
To je razmeroma enostavno narediti zahvaljujoč postopku, imenovanemu spektralno filtriranje. Znanstvenikom omogoča prepoznavanje in sledenje posameznih svetlobnih fotonov, tako da jih označi z edinstveno identifikacijsko številko.
»Poznate frekvenco fotona, ki ga pošiljate, veste njegovo usmerjenost. Satelit je usmerjen na vir odpreme, ki se nahaja na Zemlji. Če imate na obeh straneh zelo dobro optično opremo, potem ta optika vidi samo vir in nič drugega, «nadaljuje Polzik.
Metoda spektralnega filtriranja je brezbrižna do "šuma" v obliki drugih fotonov. Na primer, v istem poskusu na Kanarskih otokih je bil prenos opravljen pod jasnim sončnim nebom.
Prišlo je do prenosa milijonov fotonov na satelit, toda do cilja je prišlo le 900. Zakaj?
Bolj ko poskušate poslati zapleteni foton, manj učinkovit je ta postopek. Poleg tega se Zemljina atmosfera neprestano giblje, zato je izguba fotonov na poti v vesolje enostavna.
»Tudi če ni bilo ozračja, morate še vedno usmeriti žarek svetlobe tako, da je usmerjen proti satelitu. Če na dlani zasijete laserski kazalec, bo svetlobna točka majhna, če pa laser le odstranite, postane točka večja - to je zakon difrakcije, «pravi Polzik.
Od tal je svetlobi precej težko prebiti se v vesolje (do optičnega sprejemnika, nameščenega na satelitu v orbiti). Veliko popači, zato večina fotonov preprosto ne pelje nikamor.
»Uspešno teleportacijo lahko dosežemo le v zelo kratkem času. Na splošno je to zelo nepraktično, a kljub temu je mogoče najti načine za uporabo te tehnologije, «nadaljuje Polzik.
Je Quantum Teleportacija takojšen prenos podatkov?
Pravzaprav ne. Teleportibilni predmeti ne izginejo in se nato spet pojavijo drugje. Znanstveniki s prepletanjem prenašajo informacije o kvantnem stanju enega fotona na drugega. Brez teh informacij bo moral foton fizično premagati celotno razdaljo med oddajnikom in sprejemnikom. Ponovno se informacije ne posredujejo takoj. To je mogoče le, če pošiljatelj izmeri kvantno stanje svojega fotona in s tem spremeni stanje fotona na sprejemniku. Zaradi kvantne zapletenosti v bistvu en foton "postane" drug foton.
Za kaj je torej vse to?
Kvantna teleportacija lahko dokaže koncept možnosti ustvarjanja izjemno varnega svetovnega komunikacijskega omrežja. Tako kot ključ, ki odpira ključavnico, bo tudi sporočilo, poslano prek kvantne mreže, prišlo do naslovnika, ki ima pravilno zapleten foton, ki bo omogočil sprejem in branje tega sporočila.
Albert Einstein je nekoč kvantno zapletanje imenoval "sablasno dolgoročno delovanje", vendar je to dolgoročno delovanje temeljna komponenta, zaradi katere vse deluje. In nekega dne bo v prihodnosti morda postal voznik naše varne komunikacije.
Nikolay Khizhnyak